火焰喷焊与等离子堆焊制备Ni60及Ni60-WC涂层的性能对比

文献概况与研究意义

李朋洋等人在2017年《机械工程材料》第41卷第10期发表的这篇论文，采用火焰喷焊与等离子堆焊两种工艺分别制备了Ni60和Ni60-WC涂层，系统对比了两种涂层的显微组织、物相组成、硬度和耐磨性能。该研究得到了江苏省重大成果转化专项资金资助，具有较高的工程应用价值。

Ni60合金（即Stellite 6）是一种经典的钴基高温合金，具有优异的耐磨、耐蚀和耐高温性能，广泛应用于阀门密封面、泵叶轮、管道内壁等工况恶劣的部件。WC（碳化钨）作为硬质增强相，可进一步提高涂层的硬度和耐磨性。火焰喷焊和等离子堆焊是制备Ni60涂层最常用的两种工艺，但两者在熔池特性、冷却速率和冶金反应方面存在显著差异，导致涂层性能有所不同。

两种工艺涂层的组织与性能对比

从对比数据可以看出，等离子堆焊工艺在涂层质量方面全面优于火焰喷焊工艺。这主要是因为等离子弧的温度更高（可达10000℃以上）、能量密度更大、熔池更集中，使得熔敷金属的流动性更好、与基体的冶金结合更充分。而火焰喷焊的温度相对较低（氧-乙炔焰约3200℃），熔池流动性差，容易形成未熔合和气孔。

WC颗粒添加对涂层性能的影响

WC颗粒的添加对两种工艺下的涂层性能产生了不同的影响：

在火焰喷焊工艺下，WC颗粒的添加虽然提高了涂层硬度和耐磨性，但也带来了两个问题：一是WC颗粒的添加使得涂层孔隙率增大，这可能是因为WC颗粒与基体Ni60合金的润湿性差，在熔池中难以完全润湿和融合；二是WC颗粒发生了部分脱碳，即WC中的碳在高温氧化气氛下被氧化为CO逸出，导致WC转变为W或W2C，降低了硬质相的强化效果。

在等离子堆焊工艺下，WC颗粒的添加对涂层孔隙率影响不大，WC颗粒能较完整地保存在涂层内。这是因为等离子弧的高温和高能量密度使得WC颗粒能够充分熔化并与基体合金良好融合，同时等离子弧的惰性气体保护（通常为Ar或Ar-H2混合气）有效防止了WC的脱碳。

工程应用中的工艺选择策略

基于该文献的研究结果，在工程实践中选择涂层制备工艺时，应考虑以下因素：

1. 工况要求：若涂层承受高磨损、高冲击载荷（如阀门密封面、泵叶轮），应优先选择等离子堆焊工艺，以获得高质量的致密涂层。
2. 成本考虑：火焰喷焊设备简单、成本低，适用于对涂层质量要求不高的场合（如管道内壁的初步耐磨处理）。等离子堆焊设备投资大，但涂层质量高，适用于关键部件的修复。
3. WC增强需求：若需添加WC颗粒提高硬度，必须采用等离子堆焊工艺，以避免WC脱碳和孔隙率增大问题。
4. 基体材料：对于碳钢或低合金钢基体，等离子堆焊的稀释率较低（5%-15%），能更好地保持涂层的合金成分；火焰喷焊的稀释率较高（20%-40%），可能导致涂层中Co、Cr含量不足。

与管道阀门行业的关联

在管道阀门行业中，Ni60涂层广泛应用于以下场景：

• 球阀密封面：球阀的球体和阀座密封面采用Ni60等离子堆焊，可获得高硬度、低摩擦系数的密封表面。
• 闸阀阀板：闸阀的阀板和阀座采用Ni60-WC等离子堆焊，提高耐磨性和抗擦伤能力。
• 管道内壁：大口径管道内壁采用Ni60等离子堆焊，防止介质冲刷和腐蚀。
• 泵叶轮：化工泵的叶轮采用Ni60等离子堆焊，抵抗含固体颗粒介质的冲刷。

对于上述应用场景，等离子堆焊工艺是首选方案。火焰喷焊仅适用于对涂层质量要求较低、成本敏感的场合。

学习心得与启示

这篇文献让我深刻认识到，涂层制备工艺的选择对最终性能有决定性影响。同样的Ni60合金材料，采用不同的工艺制备，其组织和性能差异显著。等离子堆焊工艺在涂层致密性、硬度均匀性和WC颗粒保存方面全面优于火焰喷焊工艺，这为管道阀门行业的涂层制备提供了明确的技术指导。同时，WC颗粒的添加在等离子堆焊工艺下能充分发挥其增强效果，而在火焰喷焊工艺下则可能适得其反，这一发现具有重要的工程指导意义。在实际工作中，应根据具体工况和成本要求，科学选择涂层制备工艺，以达到最佳的技术经济效果。